Instabilités de versantsde terrils en relationavec l'autocombustiondes schisteset charbons résiduels

Les terrils de Wallonie font partie du patrimoine de cetterégion de Belgique. Ils sont parfois exploités pour enextraire le charbon résiduel ou pour servir de matériauxde remblais ou de recouvrement. Ils présentent parailleurs un indéniable intérêt biologique, paysager,environnemental et même touristique. Les instabilités desterrils se produisent principalement lors de leurédification et leurs causes et mécanismes sont bienidentifiés.Un type d'instabilité moins connu provient del'autocombustion du charbon résiduel qui, en provoquantdes hétérogénéités au sein de la masse du terril, peutdans certaines conditions, conduire à des glissements deterrains, souvent importants, instantanés et sans indicespréalables.Après un bref rappel du phénomène d'autocombustion, leprésent article illustre ce type d'instabilité par troisexemples de terrils dont la combustion en cours a conduità des situations d'instabilité, manifeste ou potentielle. Lepapier présente dans chaque cas les résultats desinvestigations géologiques, hydrogéologiques,géophysiques et géotechniques ainsi que les éventuelscalculs de stabilité et solutions retenues.

Mots-clés : terril, stabilité, auto-combustion, glissements,Belgique.

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91REVUE FRANçAISE DE GÉOTECHNIQUE

N'95/969e et3 trimestres 2001

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spoil heaps slopesInstabilities

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related to the spontaneaouscombustion of residual schistsand coals

In Wallonia, spoil heaps are an important element of thelandscape and of the patrimony. They are sometimes worked forrecovering the residual coal or as filling material. The spoilheaps instabilities occur mainly during their construction andthe causes and mechanisms are well known.A less frequent instability type comes from the spontaneouscombustion of the residual coal which induces someheterogeneity in the spoil heap mass and lead sometimes toinstantaneous and more or less important slides.After a short recall of the spontaneous combustionphenomenon, the paper presents three recent case histories ofunstable burning spoil heaps. The geological, hydrogeologicaland geotechnical surveys performed and, in case of need, thestability studies and the proposed solutions.

Key words: spoil heap, stability, combustion, coal, landslide,Belgium.

Elntroduction

En Wallonie, Ies bassins charbonniers se situentselon une bande de terrains du Houiller qui traverse lepays d'ouest en est, Ie long du sillon Sambre et Meuse.Les terrils des charbonnages, édifiés depuis le siècledernier, font partie du paysage, de l'histoire et du patri-moine de ces régions minières (Fig. 1).

1fu9ffiî1i1fn11fnnnriffi+i,,,*1ti;it B a s sin s h ouiller s de Wallonie et lo c a -lisation des études présentées.Coal basins in Wallonia and location of the casehistories.

Bien qu'en Wallonie, les activités extractives soientterminées depuis longtemps (fermeture du derniercharbonnage wallon en 1984),les terrils (parfois ortho-graphiés a terris >) continuent à faire l'objet d'intérêtsdivers. Economiquement, le charbon résiduel qu'ilscontiennent (de l'ordre d'une dizaine de pourcents enmoyenne) a conduit, dans les années 80, à la créationde nombreuses sociétés ayant pour objet la récupéra-tion du charbon. Après extraction de celui-ci, les sté-riles sont généralement remis en place et le terril est(remodelé >. Les autres utilisations industrielles desterrils consistent à les valoriser comme matériaux deremblais et, dans le cas de schistes brûlés (schistes( rouges )), comme matériau de revêtement et autresapplications plus n nobles ). Plus anecdotiquement, enraison de leurs teneurs en matériaux fins et de leur cou-leur noire absorbant le rayonnement solaire, les terilspeuvent servir de matériaux d'amendement des sols oude terrains de vignobles. Au point de vue environne-mental (aspects paysager, botanique, zoologique...), etaffectif, les terrils sont appréciés des riverains qui, sou-vent, manifestent une réticence certaine à l'exploitationdes terrils de leur voisinage. Dans cet esprit, certainsterrils, ont été classés et aménagés comme zonesvertes, de promenade ou de loisirs.

Stabilité des terrilsLors de leur édification, les terrils peuvent présenter

un certain nombre de glissements et autres instabilités

bien connues (Marlière, 1950 ; British National CoalBoard, 1970). Elles sont d'abord en relation avec lesconditions de dépôts (versage par Ie haut, sans com-pactage). En règle générale, cette mise en æuvre posepeu de problèmes particuliers en ce qui concerne le ter-ril sensu stricto, un profil d'équilibre étant rapidementatteint et la compaction des dépôts augmentant natu-rellement avec le temps, sous leur charge propre maisdes instabilités peuvent être dues aux conditions dusous-so1.

Les mouvements des terrains sousl'acents aux ter-rils surviennent en particulier lorsque le teril pose surune couche argileuse de relativement faible épaisseur,surmontant un substratum plus rigide (formations duHouiller ou craies par exemple). Les rc bourrelets péri-phériques ) sont caractéristiques de ces instabilités.Celles-ci peuvent survenir rapidement, par rupture,lors de l'édification du terril, causant des dommagesimportants (Linard de Guertechain, 1939 ; Schroeder,1981) ou, le plus souvent, se manifester progressive-ment et continûment, durant des dizaines d'années, parsimple fluage des matériaux argileux sans autre consé-quence qu'une légère modification du relief en pied deterril.

l]ne cause moins connue d'instabilité des terrils estla combustion interne des schistes et charbons rési-duels. Le phénomène en tant que tel est connu depuislongtemps ; il est même fait référence à de telles com-bustions en Angleterre au xwt" siècle (Glasser et Brad-shaw, 1990). En lui-même, il constitue une source denuisances diverses telles les fumées sulfureuses. Deplus, en provoquant des hétérogénéités au sein de lamasse du terril, la combustion des schistes et charbonspeut dans certaines conditions, conduire à des glisse-ments de terrains, parfois fort importants.

Après avoir rappelé le phénomène d'autocombus-tion, le présent article illustre ce type d'instabilité partrois exemples de combustions de terrils ayant conduità des situations d'instabilité, manifeste ou potentielte.Ces exemples sont situés dans les régions de Liège,Charleroi et Mons.

EAutocombustion des schistesetcharbons résiduels

Les schistes d'exploitation du charbon habituelle-ment déposés en terrils contiennent encore de l'ordrede 5 à 15 "Â de charbon, ce pourcentage dépendant del'âge du terril, Ies terrils les plus anciens (ceux édifiésavant les techniques de flottation) étant en règle géné-rale ceux qui renferment le plus de charbon résiduel.D'autre part, les schistes renferment parfois une quan-tité non négligeable de sulfure de fer (pyrite,, marcas-site) pouvant donner en présence d'eau et d'oxygène etdans certaines conditions, une réaction exothermique.Lorsque le terril présente un volume suffisant pouratteindre une ( masse critique I (ce qui signifie unehauteur de terril supérieure à 5 mètres au moins) et estpeu compact, ce qui permet une circulation d'air etd'eau, le phénomène d'autocombustion peut se pro-duire et dans certains cas, Ia totalité du charbon rési-duel peut brûler, I'extinction des terils en feu n'étantpratiquement pas possible du point de vue économique(Hebley,1949).

9eREVUE FRANçAIsE oe cÉotecHNteuEN" 95/969e et3etrimestres 2001

Ces combustions présentent de réels dangerslorsqu'elles sont en cours. Outre les effets de Ia chaleur,de nombreux accidents peuvent être provoqués par lescombustions des terrils. C'est ainsi que :

- des gaz nocifs sont émis lors de la combustion. Lemonoxyde de carbone est le plus dangereux, lesfumées sulfureuses étant irritantes et toxiques à dosesélevées i

- la combustion des schistes charbonneux conduit à laformation de cavités sous Ia surface (< marmites > ou <chaudrons l), laissant en surface une croûte qui peuts'effondrer sous le poids d'une personne;

- Ia vapeur d'eau, dégagée lors de pluies ou d'arro-sages du terril, peut former du water-gas, mélange demonoxyde de carbone et d'hydrogène qui, lorsqu'il esten certaines proportions avec de I'air, donne unmélange explosif. L'explosion, lorsqu'elle se produit,par exemple lorsqu'une excavatrice perce une pocheremplie de ce gaz, donne une dispersion de matériauxbrûlants qui a par le passé causé le décès de plusieurspersonnes (ce fut le cas en Belgique et en Grande-Bre-tagne);

- au cours d'excavation de terrils en combustion, desglissements peuvent entraîner des nuages de pous-sières charbonneuses qui peuvent exploser au contactdes matières incandescentes.

Les terrils brûlés (terrils rouges) fournissent d'excel-Ients matériaux de remblais et sont recherchés pourdes usages particuliers (allées, courts de tennis, ètc.).Pour cette raison, par le passé, il a parfois été misvolontairement feu aux terrils (Harrington et Heast,1949).

r-rrMécanism es de l'autocombustion

La combustion des charbons résiduels est principa-lement due à une réaction exothermique de l'oxydationdes pyrites mais des cas d'inflamation de charbons(purs ) par < simple > oxydation du charbon semblentêtre rencontrés (Harrington et Heasf 1949; Carras etLeventhal, 2000).

En présence de sulfures, cette réaction complexe estgénéralement présentée comme composée des phasessuivantes :

1) oxydation des pyrites (et surtout des marcassites etpyrrhotine) qui donne du sulfate ferreux et de l'acidesulfurique:

2FeS, +7 Or+Z}{.-O +2FeSOn+2HrSOn2) réaction bactérienne (bactéries aérobies autotronhesdu groupe des ferrobaciles - thiobaciles, nécessitant unenvironnement à pH < 4,5, avec un pH optimum de 2,2)avec le sulfate ferreux (qui autrement formerait unecouche protectrice) permettant la formation de sulfateferrique :

4 FeSOn + O, + 2H2SO4+ activité bactérienne+2Fer(SOn)r+2HrO

3) nouvelle réaction avec la pyrite et réduction du sul-fate ferrique :

7 Fer(SOn), + FeS, + B HrO -+ 15 FeSO* + B HrSOnDe plus, les réactions suivantes peuvent se pro-

duire:

4) formation de llm onite et d'acide :

FeSOn + 2H2O + Fe(O11)z + HrSOn5) formation de jarosife (KHFe3(SO4)2.(OH)6)

a) 3 Fer(SO4)3 + 12 lHzO + 2 HFe3(SO4)r.(OH)u +5 H2SO4

b) HFe3(SO4)2.(OH)6 + K (argile ou micas) + (en envi-ronnement acide)

KHFer(SO4)2.(OUlu + K (argile ou micas) + H*Dans certaines conditions, il peut y avoir formation

de méIantérife (FeSOn. 7H2O).

En fait, ces réactions sont compliquées par la pré-sence de différentes formes minéralogiques des sul-fures de fer pouvant réagir les unes avec les autres etcatalyser les réactions. Le résultat final est de l'acidesulfurique et de la chaleur. Comme la réaction d'oxy-dation est accélérée par une augmentation de la tem-pérature, dès que la balance de l'échange thermiqueavec l'environnement produit une élévation de la tem-pérature du terril, la réaction s'accélère et peut donnerlieu à l'auto-inflammation de charbon résiduel.

La réaction nécessite donc de l'oxygène (terril peucompact) et de l'eau pour produire la chaleur néces-saire au départ de la combustion. Elle est favorisée parIa présence de sulfures,, surtout la marcassite et la pyr--rhotine qui catalysent l'oxydation de la pyrite.

La combustion s'initie la plupart du temps au cæurdu terril, dans une zone où les échanges thermiquesavec l'environnement sont limités, et progresse vers lehaut (effet de cheminée) et vers I'extérieur. Bienentendu, la propagation du feu est fonction des réparti-tions des combustibles et il n'est pratiquement pas pos-sible de prévoir les directions dans lesquelles les com-bustions vont se propager. Les températures atteintesau sein d'un terril en combustion peuvent atteindre etdépasser les 400 oC, voire davantage (Carras et Leven-thal, 2000). On a signalé localement 1 200".

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Instabilités des terrils en combustion

Pratiquement toutes les ruptures a naturelles l dansles versants de terrils en combustion surviennent lorsde fortes pluies. La pénétration d'eau dans le massif enignition agit d'une manière complexe et fait intervenirsimultanément plusieurs éléments :

D'une part, Ies précipitations ont un effet direct enraison de :

- l'augmentation du poids volumique des matériauxnon brûlés (superficiels) qui se saturent er eâu;

- la saturation de ces matériaux, initialement non satu-rés, entraîne une diminution de Ia suction et, partant,une diminution de la résistance au cisaillement (Fred-lund et Rahardj o, L993) ;

- l'instauration d'une nappe temporaire, proche de lasurface, provoquant une augmentation des pressionsinterstitielles ;

- l'effet du mouvement vers l'aval de cette nappe,créant des forces déstabilisantes.

Par ailleurs, les eaux de pluie pénétrant dans le mas-sif en combustion se vaporisent et induisent des pres-sions de vapeurs agissant sur la face inférieure de lapartie non brûlée et de ce fait déstabilisent celle-ci.Cette pression de vapeur se manifeste en partie

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médiane car en dessous, la nappe logée dans les flancsdu terril empêche la propagation de la vapeur versl'extérieur à partir du moment où la pression de lacolonne d'eau excède la pression de la vapeur. En par-tie haute du terril, la vapeur produite peut aiséments'échapper par le chemin préférentiel (( cheminée l)suivi par les gaz de combustion. La zone critique sesitue donc généralement vers la mi-hauteur du terril.

La surface de discontinuité séparant, au sein du ter-ril, les schistes brûlés des schistes non brûlés constitueen général la surface de glissement en raison de la dif-férence de caractéristiques mécaniques des schistesbrulés. Ceux-ci sont plus résistants que Ies schistes< noirs >, du fait de la < cuisson ) prolongée du maté-riau et de l'augmentation de compacité (départ de lamatière la plus légère, le charbon, et des matières orga-niques, retrait après < cuisson l).

Le schéma de la figure 2 illustre ce mécanisme. Surcette figure, or peut voir que le matériau après glisse-ment s'étend sur une assez grande longueur. Le glisse-ment, même s'il a lieu le long d'une surface raisonna-blement cylindrique (ou plutôt sphérique), n'est pas unglissement rotationnel classique. En raison de la teneuren eau élevée des schistes, le mouvement de la masseglissée s'apparente plutôt à des coulées boueuses quise propagent sur de grandes distances.

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glissement dans un terril en

landslides in a burning spoil

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;1i,,i111i1i1t1111i1111iiiiiiitÏiitiiiiffiÏsiiit+: Terril de la petite Bacnure à Herstal : vuegénérale du glissement.Petite Bacnure spoil heap in Herstal : Generalview of the landslide.

Les tomographies électriques ont permis de faire ladifférence entre les schistes sains et les schistes brûlésou en combustion, sur la base des résistivités élec-triques. Ces résistivités varient suivant Ia nature du ter-rain. Les valeurs généralement observées sont :

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Tomographie électrique d'une zorre par-tiellement en combustion, €It tête duglissement.Electrical tomography in a partially burningzone, at the top of the slide.

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Zone plus rêsistive

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t;li1t'i:1t:t1ti,tt11i111111r*riiliiiirulÏ ii|iii1 Tomographie électrique d'une zone pra-

tiquement exempte de combustion.Electrical tomography in a zone practicallywithout combustion.

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tornbustion

Terril de la petite Bacnureà Herstal (réSion liégeoise)

Le glissement du terril de la petite Bacnure illustreparfaitement le mécanisme décrit plus haut. La figure 3

montre la surface de glissement, rouge en haut du taluset Ia masse glissée, d'un volume total glissé de l'ordrede 2 000 m3, qui s'est arrêtée à quelques mètres de lamaison en face. Ce glissement est purement local maispeut se répéter ailleurs. Par contre, la stabilité classiqued'ensemble du terril, posant directement sur le soclehouiller, n'ajamais été mise en cause.

Après le glissement, compte tenu de l'urgence etdes difficultés d'accès, une investigation géophysiquepar tomographies électriques et sondages sismiques a

été réalisée sur l'ensemble du terril. Les sondages sis-miques (réfraction) ont pour objet de déterminer lesépaisseurs des zones superficielles, moins compactes,susceptibles de glisser.

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- schistes non brûlés (cc noirs )), ( sains r) : 20 à 120Ç).m;- schistes gréseux ou grès : errtre 100 et 300 e.m ;

- schistes brûlés (< rouges r) : plus de 200 à 300 e.m ;

- schistes chauds : plus de 400 Q.m et pouvant dépasser1 000 f).m.

Les figures 4 et 5 donnent deux exemples de tomo-graphies électriques, l'une dans une zone en combus-tion (crête du terril en haut du glissement), l'autre dansune zone exempte de combustion (versant opposé àcelui du glissement). Sur ces profils, les couleurs claires(rouges) correspondent aux résistivités élevées carac-téristiques des schistes brulés ou chauds.

sur le profil tomographique de la figure 5, la zoneclaire (rouge) en pied de terril est peut-être due à unremblai localement plus gréseux qui normalements'accumule en pied de terril.

Les observations faites par prospection géophy-sique ont été complétées par un lever topographiquedétaillé et par une thermographie en photos aériennesinfrarouges qui ont permis de confirmer l'étendue deszones en combustion. La figure 6 donne un exemple dethermographie de Ia zone du glissement. On voit nette-ment Ia tache blanche au sommet du glissement, carac-téristique d'une zone chaude, correspondant au pointT5 de la figure 4.

ri&!!Èi'.{i,#.ffiiii+:TtW,,ffi! Thermographie infrarouge de la zor'e duglissement.Infrared thermography of the landslide area.

La campagne de reconnaissances a finalement permisde déterminer les zones les plus instables, c'est-à-dire cellesà pente raide présentant des zones brulées en profondeuret des épaisseurs importantes de terrains peu compacts.

ETerril Saint-Charles à Ransart(r é$ on ca ro lor égi en n e)

Le terril Saint Charles, d'une hauteur de quelque60 m, couvrant environ 6 hectares, est en feu depuis1994. La figure 7 montre une vue générale du terril avecsur pratiquement toute Ia surface du terril, des troncsd'arbres calcinés. Le terril pose sur les terrains duHouiller et sa stabilité classique d'ensemble ne posepas de problème.

iiiînlrru1rmiiiiiiitn;111îigffi ,W,xiit;1Terril Saint-Charles à Ransart. Vue d'en-semble.St Charles spoil heap in Ransart. General view.

Actuellement, le terril est toqjours en combustionassez intense, combustion atypique en ce sens gu'aulieu de se propager du centre du terril vers l'extérieur,elle progresse de l'extérieur vers l'intérieur. La raisonen est que la combustion des schistes a été initialiséepar un feu extérieur au terril. En quelques années, lacombustion s'est propagée sur pratiquement toute Iasurface du terril puis a progressé vers l'intérieur decelui-ci. Les premières zones brulées se revégétalisentprogressivement, ainsi qu'on peut Ie voir sur le côtégauche de la figure 7. La figure B montre deux aspectscaractéristiques de cette combustion. La combustion

Iiiiitfrii,{,Ïri,ffiliij,!,i,#iËW.iffili Terril Saint-Charles : (a) colonne devapeur; (b) cristallisations de soufre.St Charles spoil heap ' (a) vapor column ; (b)sulphur cristallysation.

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2eet3" trimestres 2001

intense (la surface du terril est localement brûlante)vaporise l'eau du terril et, même par temps relative-ment sec, on peut observer des colonnes de vapeur.D'autre part, le dégagement de HrS et autres gaz pro-voque des efflorescences de soufre en de nombreuxendroits.

Du fait de cette disposition, le mécanisme de glisse-ment tel qu'il a été décrit au terril de la Petite Bacnure àHerstal ne s'applique plus exactement. En revanche, laperte de compacité des couches extérieures en réduitla résistance et, surtout, la progression du feu à l'inté-rieur du terril crée des quantités de gaz non négli-geables qui font courir Ie risque d'une explosion dewater-gas.

Les investigations du terril ont été menées à lademande de la ville de Charleroi. L'urgence, les condi-tions dangereuses (terril en combustion intense) et lesdifficultés d'accès ont conduit à effectuer les recon-naissances par prospections géophysiques et télédé-tection. Les reconnaissances ont comporté des tomo-graphies électriques, des sondages sismique réfraction,une thermographie infrarouge aérienne ainsi qu'unsuivi topographique.

Les figures 9 à 1,2 donnent l'implantation des profilssismiques et des tomographies électriques, répartis surle pourtour du terril et des exemples de profils sis-miques et électriques. Les profils électriques montrentles zones brrflées ou en combustion, les profils sis-miques, les profondeurs des terrains déconsolidés par

Tornograph ie élestriqusnt.

n ., . . l I r I r l l t r r r r ..*Profil siamique

ijillffirj!rtfiiii iii*utrfi# *.F;iii+ Terril S aint- Ch arle s : implantation de sreconnaissances.St Charles spoil heap : Location of surveys.

FA sondage sismique: tir Aller

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ti1ljig11111111inij1;iil:iiiitiiiilffiillflËliiiii Terril Saint-Charles : exemple de profilssismiques - 51 et 52.St Charles spoil heap : Example of seismicprofiles - 51 and S2.

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tomographie électrique comes-aux profils sismiques de la

La partie haute du profil montre de lacombustion.Electrical tomography corresponding to thesesimic profiles of figure 10.At the top, some combustion is pointed out.

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Ëg*u6fifiiiiii1çiii!,!,W#"#,,1fiiÆitlit Autre exemple de profÏl de tomographieélectrique - zone chaude en pied de terril.Another example of electrical tomography - hotzone at the toe of the spoil heap.

96REVUE FRANçA|SE oE cÉorEcHNlQUEN'95/962e el3etrimestres 9001

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la combustion, caractérisés par des vitesses sismiquestrès lentes, de I'ordre de 200 m/s,la partie a saine I duterril présentant des vitesses sismiques de l'ordre de1000 m/s.

Les figures 13 et 1,4 montrent la même vue aériennedu terril, l'une étant en couleurs naturelles, l'autre eninfrarouges. On note la forte chaleur qui se dégage ausommet du terril (effet cheminée) et la répartition deszones en combustion, avec intensité maximum sur lesarêtes convexes.

Les reconnaissances effectuées ont permis de déli-miter les zones où les probabilités d'instabilité étatentles plus fortes, zones présentant les plus grands risquesd'explosion qui pourrait se produire au cas où un glis-sement mettrait brutalement en contact avec l'air lesmasses incandescentes de l'intérieur du teril. Le péri-mètre de a dangerosité > ayant été défini, la ville deCharleroi a racheté aux propriétaires les immeublesmenacés et a facilité leur relogement. Actuellement, leterril poursuit sa combustion et fait l'objet d'un suivicontinu.

"W,WT} Vue aérienne du terril Saint-Charles.View of the St Charles spoil heap.

"t{r. T,#i. Thermographie infrarouçJe du terril Saint-Charles.La vue correspond exactement à celle de lafigure 13.Infrared thermography of the Saint Charlesspoil heap.The view corresponds exactly to the view offigure 13.

ETerril de l'Héribus à Cuesmes(région montoise)

La vue aérienne de la figure 15 montre le terril del'Héribus, situé au Sud de la ville de Mons, visible enarrière-plan. Le terril de l'Héribus est haut de 75 m ets'étend sur quelque 16 hectares. Ce terril présente unintérêt particulier, car il est à la fois le siège de pro-blèmes d'instabilités liées à des combustions internesmais aussi de glissements liés à la nature des terrainsde fondation. Le terril date du début du siècle et a été

,:iittli:iiiiiiiritiiiiiii*i{iti#w"rtÏ,#iitii' Terril de l'Héribus : vue générale.Héribus spoil heap : General view.

Vue aérienne du terril de l'Héribus et de lacoupure de la route de Bavay.Aerial view of the Heribus spoil heap and of thecutting of the Bavay road.

97REVUE FRANÇAIsE oE cÉotrcHNteuE

N'95/962eel3" trimestres 2001

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arrêté assez récemment, le charbonnage de l'Héribusayant cessé son activité depuis moins de trente ans. Lespentes du terril sont relativement douces en pied deterril (10'), plus redressées vers le sommet (25' à 30").Actuellement, Ie sommet du terril présente des zonesen combustion (schistes rouges, queiques fumerolles etléger dégagement de chaleur), visibles sur la figure 15.

Il y a quelques années, un aménagement du terril aété réalisé par les soins de la Ville de Mons (escaliers,chemins, bancs, table d'orientation au sommet, etc.). Iconstitue encore actuellement un lieu de promenadeassez fréquenté.

Au point de vue géologique, le terril de l'Héribusrepose sur des formations limoneuses quaternairesépaisses d'une dizaine de mètres. Sous celles-ci, dansles deux tiers Sud du site, on rencontre quelquesmètres du complexe argileux yprésien surmontant 20 à30 mètres du complexe sableux landénien, ce dernierreposant sur les craies et marnes du Crétacé. Le toit desformations du Secondaire a un pendage nord/nord-est.Au nord du site, une formation de sables yprésiens (oupaniséliens) s'intercale entre le limon quaternaire etl'argile yprésienne. En ce qui concerne les tassementsminiers, la carte géotechnique renseigne des affaisse-ments de l'ordre de 2,50 m sous le terril et jusqu'à5,00m plus à l'ouest, valeurs confirmées par l'analysedes cartes topographiques réaiisées à différentesépoques.

En ce qui concerne la stabilité, dès le début de saréalisation, le terril a présenté deux zones d'instabilitéprovoquant des bourrelets de pied : au nord (où lasituation semble stabilisée) et surtout à l'est où le glis-sement a coupé la route (chemin de Bavay) passant àcet endroit. La photo aérienne (datant d'une vingtained'années, cf. figure 16) montre le déplacement du terrilsur le tracé de la route. La partie Sud du terril paraîtstable, hormis, très localement.

Deux glissements ont affecté Ie terril au milieu desannées 90. Ils sont désignés dans Ia suite par les termes< glissement Est > et < glissement Ouest >. Ils se pré-sentent comme suit. La figure 17 montre Ies zonesd'instabilité et les phénomènes associés (fissures, bour-relets, etc.).

rcGlissement Est

En 1994, un glissement très important a affecté leflanc Est du terril. Ce glissement s'est produit assez len-tement et, semble-t-il, de manière continue. I1 se mani-feste par :

- en tête du glissement et quasi au sommet du terril,une niche d'arrachement de près de 7 m de haut,témoignant d'un mouvement général de rotationd'environ 5';

- en pied de glissemenf d'importants bourelets situésà Ia base du terril.

Sur le flanc du terrii affecté par le glissement, onnote de nombreuses fissures ouvertes avec petitsdéplacements verticaux ainsi qu'une série de nombreuxdécrochements orientés est-ouest au pied de ce flanc,sur le chemin et sur le replat en contrebas de ce der-nier.

-r Décrochement

*** FissureLimite de la eone# " non brûlée

w Limite duglissement

.iiiiriiiiiiiii;i:i|iiiiiiiiiiti,,ri,ffiifilï;ttl, Terril de l'Héribus : observations desphénomènes d'instabilité.Héribus spoii heap : Location of the observedinstabilities.

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Glissement Ouest

En été 1992, après (ou au cours) un violent orage, utbrutal décrochement au sommet du flanc Ouest a pro-voqué le déplacement rapide d'une masse de terril quis'est éboulée en contrebas, renversant les arbres etprovoquant un mouvement du pied du terril se tradui-sant par de nombreuses fissures ouvertes et quelquesbourrelets supplémentaires en pied. En tête du glisse-ment, la paroi qui subsiste actuellement (faisant appa-raître le schiste brûlé) a une pente assez raide et sur lereplat, au-dessus du glissement, on remarque des fis-sures (amorces de glissement) à une dizaine de mètresde la table d'orientation. Près du sommet, subsiste unezone en combustion avec fumerolles.

Les risques évidents d'instabilité du glissementOuest et la dégradation continue par le glissement Estont conduit la ville de Mons à faire effectuer une étudedétaillée des glissements. Ces études ont comporté desreconnaissances in situ et des essais de laboratoiredont les résultats ont été utilisés pour les calculs destabilité. En même temps qu'une inspection détailléedu terrain (sur le site et sur photos aériennes) avec

,ttfiiioi,i,ii/f:.ttiHr{jlWii,iffii,,ffiffii"tt; GHssement Est : avancée du bourrelet depied, escarpement de tête.East slide : toe-head scarp.

98REVUE FRANçA|SE or cÉorEcuNteuEN" 95/962e et3etrimestres 9001

,W Glissement Ouest. En bas de l'image, lesterrains glissés, en haut, en clair (rouge), leplan de glissement (discontinuité entre lesschistes brulés et non brfrlés).West slide. At the bottom of the picture, theflooded soils. At the top, the light (red) zonecorresponds to the failure surface [discontinuitybetween the < red l and < black > schists.

relevé du mouvement et des désordres ainsi qu'unlever topographique et que l'examen d'anciennescartes topographiques et photos aériennes, les recon-naissances ont consisté en une investigation du sous-sol effectuée pâr:

- une prospection géophysique (sismique réfraction etrésistivité électrique) réalisée en périphérie du terril,sur Ie flanc du terril et au pied du glissement Ouest. Laprospection géophysique a pour but de déterminer lastructure générale du site et de permettre l'implanta-tion judicieuse des reconnaissances mécaniques ;

- neuf petits forages d'étalonnage réalisés à Ia tarièrehélicoïdale sur le pourtour du terril avec prélèvementsd'échantillons non remaniés pour essais de laboratoire;

- sept essais de pénétration statique 10T implantés enfonction des résultats de la prospection géophysique ;

- huit essais de cisaillement direct réalisés sur leséchantillons prélevés dans les forages.

La prospection géophysique par sismique réfractionpermet de distinguer trois niveaux de terrains caracté-

risés par les vitesses apparentes de propagation desondes sismiques de compression (V) :

- terrains superficiels : terre végéta\e, remblais de terreet cailloux, schistes du terril, limons sableux/argrleuxquaternaire (V = 130 à 240 m/s), sable yprésien et lan-dénien hors nappe (V = 260 à 550 m/s) et terril pluscompact (V - 700 à710 m/s) ;

- schistes du terril sous nappe (V variant avec le degréde compacité de 1220 à 1 600 m/s) et limonssableu/argileux quaternaires sous nappe (V = 1 365 à1575 m/s) ;

- argiles (sableuses) yprésiennes sous nappe (V = 1740à 2 515 m/s) ou le sable landénien sous eau (V : 1 580 à1 860 m/s).

Les sondages électriques distinguent les formationssuivantes :

- temains superficiels : rertblais de terre et cailloux :

résistivité = 300 Q.m;

- limons sableux/argileux quaternaires : résistivité = 50à 65 Ç).m non saturés et = 13 à 20 A.m sous nappe ;

- formations sableuses yprésiennes (résistivité = 35 f).msous nappe) ;

_formationssableuSeSlandéniennes(résistivité60 Q.m non saturé et 35 Q.m sous nappe) ;

- argile yprésienne : résistivité - 10 à 15 Ç).m.

Les essais de pénétration statique, implantés enfonction des résultats de la prospection géophysique,ont permis de mettre en évidence trois couches de ter-rains dont les caractéristiques géomécaniques sont lessuivantes :

- schistes du terril caractérisés par une résistance à lapointe de 40 à 50 kg/cm2 mais présentant des cr pics Ide résistance à la pointe assez importants(> tBO kg/cm2). Ces pics sont accompagnés de chocslors de l'enfoncement du pénétromètre ;

- silts sableux dont les caractéristiques sont assez simi-laires à celles des schistes du terril mais ne présentantpas les mêmes a pics > de résistance à Ia pôinte ni leschocs . La résistance moyenne de ces silts sableux estde 30 à 40 kg/cmz avec des passages plus résistants cor-respondant aux passages plus sableux ;

- argile et silts argileux caractérisés par une résistanceà Ia pointe augmentant régulièrement avec la profon-deur d'investigation. Le frottement latéral augmentantenviron de 300 à 700 kg/m de profondeur.

Les forages complémentaires ont fourni les échan-tillons non remaniés pour les essais de laboratoire etont permis d'étalonner les autres méthodes. Sur basedes reconnaissances, on a pu tracer les coupes géolo-giques interprétatives dont la figure 20 donne unexemple avec, sous les remblais du terril, la successiondes couches du Tertiaire, avec un léger pendage nord.

'iiTfiilil#r,îffi{i,ffi Coupe géologique nord- sud.North-South geological cross - section.

99REVUE FRANçAIsE or cÉorcctNteuE

N. g5196

2eel3 trimestres 2001

0 â0 40 t0 Êll t00 rrt1..,,....,L..., -. L.....-.t..,....J.,..--.)

Les résultats des essais de laboratoire, essais decisaillement direct consolidés-drainés, réalisés sur leséchantillons remaniés d'argile et de limons prélevésdans les forages (les rc limons ) désignent les forma-tions silto-sableuses surmontant les formations ypré-siennes et les < argiles > désignent ces formations ypré-siennes argileuses) donnent globalement lescaractéristiques mécaniques suivantes :

o Limors :

yo : de 10,75 à 15,89 kN/m3,w naturelle : de 25,1 à 57,2 o/o,

au pic : q' de 18,1 à 25", c' de 5 à 10 kPa,

en résiduelle : rp' de 1.5,7 à 22,5 oC' de 0 à 10 kPa (0 à1,,0 t/mz).. Argiles :

Yo : de 12,51, à 1,4,8T kN/m3,

w naturelle : de 28,04 à 41,7 "/o,

au pic : <p' de 17 ,3 à 21,6 oC' : de B à 18 kPa,

en résiduelle : g' : de 1,4 à 20,5 oC' de 4,7 à 1Z,B kpa.Avec ces valeurs, recalibrées au cours de l'étude par

back-analysis. les profils des glissements Est et ouestont été étudiés au point de vue stabilité. Les calculs ontété réalisés par la méthode de Janbu au moyen d'unprogramme développé aux LGIH, permettant d'inclureles effets de surpressions interstitielles et les effets sis-miques (en calcul statique).

ffiÉtude destabilité- Glissement Est

La structure des terrains et des courbes de glisse-ment étudiées au profil Est est donnée à la figure 21.Sur cette figure sont représentées quelques courbes deglissement étudiées et quelques hypothèses sur leniveau de la nappe du terril.

iir#Ïifiiiiiïiifi+iiiiililffili#ijtiii Coupe dans le glissement Estcourbes de glissement.Cross section in the East sliderupture lines.

: exemples

: examples

Lecdeux étapesement etAvant glidonnés pphréatiqsuperrecependavec le

duit. Une étude paramétrique a permis de restituer (parback-analysis) les conditions dans lesquelles le glisse-ment a pu se produire. Les variations des paramètresmécaniques (sauf pour l'argile yprésienne) ont relative-ment peu d'importance par rapport à celles de la nappephréatique.

En effet, en cas d'augmentation du niveau prézomé-trique de Ia nappe, les coefficients de sécurité décrois-sent fortement, tendant à se rapprocher de l'instabilité(valeurs proches de l'unité ou inférieures) . La probabi-lité d'une nappe aussi haute est faible. Les causes deI'instabilité doivent être cherchées dans d'autresactions de la nappe que la simple élévation du niveaupiézométrique. Il semble que le poids du terril et dubourrelet Est ait diminué la perméabilité des limons , cequi a confiné la nappe à l'exutoire. Au cours de longuespériodes de précipitation, il y a donc possibilité d'avoirune nappe captive (artésienne) dans les sables et siltssous les limons quaternaires compactés par le terril. ils'avère que la présence d'une nappe artésienne, asso-ciée à une légère diminution des caractéristiques del'argile yprésienne, peut expliquer le glissementobservé.

Avec les paramètres ainsi déduits de l'étude du glis-sement, il a été possible de définir les orientations dessolutions de confortement possible : drainage ou stabi-lisation par risberme . La solution retenue et dimen-sionnée par le bureau d'études Tractebel comprend laconstruction d'une risberme en pied de glissement,avec drainage approprié. Les travaux de confortementont été terminés dans le courant 2000.

Étude destabil ité- Glissement Ouest

Le glissement Ouest s'est produit dans Ia partiesupérieure du terril, entre les cotes 100 et L30, provo-quant une sorte de coulée boueuse qui s'est déposée encontrebas, sous la cote 85, renversant les arbres et pro-voquant quelques bourrelets supplémentaires en piedde terril. Entre les cotes 85 et 1,00, Ia topographie estrestée intacte. Le plan de glissement laisse apparaîtrele schiste rouge bn)lé. La coulée de schiste en contre-bas ne montre pratiquement pas de schistes brûlés. Ilest donc probable que le plan de glissement coïncideavec Ie contact schistes brûlés chauds/schistes non brû-Iés. Les figure s 22 et 23 présentent respectivement unecoupe complète du versant au droit du glissementOuest et un agrandissement de la partie supérieure duversant, c'est-à-dire le glissement proprement dit.

L'examen de la topographie actuelle montre égale-ment que le glissement s'est produit en deux phases :

un premier glissement s'est déclenché suivant la lignede glissement CG1 (entre les points A et B à lafigure 23) à l'endroit où le terril montrait Ia plus fortepente. Le premier glissement a provoqué la déstabili-sation de la partie supérieure et un deuxième glisse-ment s'est produit suivant la ligne de glissement CGz(entre les points C et D à la figure 23). Cette partie duterril était stable depuis de nombreuses années. Le glis-sement (le double glissement) s'est produit en été,lorsde fortes pluies. Le mécanisme du glissement est donctout à fait en conformité avec ce qui a été décrit plushaut, à savoir, les effets combinés de I'eau saturant leschiste rc noir l, la surface de discontinuité entre les

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100REVUE FRANçAIsE oE cÉorucHNteuEN'95/962e el 3e lrimestres 200'1

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tiltiiitiiï,tii,,#,;ti{i&iif,ffiffiÆftr+fii C oupe d'en semble dans le vers ant duglissement Ouest.General cross section of the slope of the Westslide.

schistes ( noirs ) et ( rouges ) et la pression de vapeurs'exerçant en partie haute du terril.

L'analyse de la situation avant glissement a été faiteavec les valeurs suivantes des paramètres physiques etmécaniques du terril, choisies en fonction des donnéesd'études précédentes :

- poids volumique sec : 19 kN/m3 ;

- angle de frottement interne : 35o ;

- cohésion (tenant compte que cette zone du terril estpeu compactée): 5 kPa.

La nappe est supposée plus basse que la courbe deglissement. Dans ces hypothèses, les coefficients desécurité obtenus sont supérieurs ou égaux à 1,5. Le ter-ril est donc stable mais sans sécurité totalement satis-faisante. Dans ces conditions, il est normal qu'il ait tenudepuis sa construction.

Dans la situation actuelle, en considérant les para-mètres obtenus par l'analyse du glissement, en parti-culier les hypothèses sur les effets de l'eau, les coeffi-cients de sécurité déterminés dans les hypothèses d'unterain à humidité naturelle (9 %) puis complètementsaturé en cas d'orages violents, avec une pression inter-stitielle et une sous-pression de vapeur, les coefficientsde sécurité descendent en dessous de l'unité. En cas deforts orages, tels ceux qui ont provoqué le glissementde ce flanc, l'instabilité est pratiquement inévitable. Laseule solution envisageable pour conforter le flancOuest a été de reprofiler la partie haute du terril pourlui donner une pente plus en rapport avec les car acté-ristiques mécaniques de ce type de terrains. Ce repro-filage a été dimensionné par le bureau d'études Trac-tebel et est actuellement réalisé.

-

ConclusionDans les études de terrils, aussi bien ceux en place

que ceux en cours de remodelage, interviennent denombreux facteurs, naturels ou anthropiques. Lesquelques exemples présentés montrent l'importance de

11,ilii!;i1iiï17;1111x1i:,1ii{tr;ffifffi11iist Détail du glissement Ouest : décompo-sition des mouvements.Detail of the West slide : SUCCeSsion of motions.

l'effet de la combustion interne dans les problèmesd'instabilités de terrils. Lorsque de tels problèmes seposent, il est nécessaire d'étudier les solutions en gar-dant présent à l'esprit le fait qu'il n'est pratiquementpas possible d'éteindre un terril en combustion (denombreuses tentatives ont été faites sans succèr). il fautaussi s'assurer que des interventions (comme une exca-vation) ne risqueront pas de provoquer d'explosion,comme cela s'est déjà produit.

Dans tous les cas, une étude détaillée est indispen-sable pour déterminer l'ampleur du risque potentiel.Cette étude comporte dans tous les cas une prospec-tion géophysique sismique et électrique, les tomogra-phies électriques permettant, sur base des résistivités,de déterminer les zones en combustion, brûrlées ou nonbrûlées et la prospection sismique donnant les épais-seurs et les compacités relatives des différents terrains.on peut ainsi déterminer les zones où le schéma deglissement tel qu'tl a été décrit est susceptible de seproduire et définir les zones à risques. Les informationsfournies par les termographies infrarouges complètentle dispositif et permettent un suivi asse z arse de l'évolu-tion de la combustion.

Dans le cas le plus général, ces reconnaissances géo-physiques sont complétées d'une campagne de recon-naissance classique comportant des essais mécaniquesin situ, des prélèvements d'échantillons et des essais deIaboratoire permettant de réaliser les études de stabilitéconduisant à la préconisation des solutions à adopter.Ces solutions sont à déterminer au cas par cas, entenant compte de tous les facteurs, aussi bien géotech-niques qu'environnementaux, économiques et sociaux.

iiiliiïffiffiçj" iiiiiii

Les auteurs tiennent à remercier les administrations communalesde Herstal Charleroi et Mons et en particulier Madame Rouhart,directrice de l'Urbanisme de la ville de Mons, Monsieur Monseux,échevin de la ville de Charleroi et Madame Piret, du service Envi-ronnement de la ville de Charleroi pour leur aide et I'intérêt parti-culier qu'ils ont porté à tous )es aspects de ces études. //s tiennent àsignaler que les photos infrarouges ont été réalisées par des volsd'héIicoptères de la gendarmerie.

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2eel3" trimestres 2001

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